通風(fēng)瓦斯利用技術(shù)比較與設(shè)備選擇

桑逢云 趙國(guó)泉

(國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院,北京 100029)

通風(fēng)瓦斯利用技術(shù)比較與設(shè)備選擇

桑逢云 趙國(guó)泉

(國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局信息研究院,北京 100029)

針對(duì)通風(fēng)瓦斯特點(diǎn),本文對(duì)通風(fēng)瓦斯熱氧化技術(shù)、催化氧化技術(shù)和混合燃燒技術(shù)進(jìn)行了比較分析,得出熱氧化技術(shù)為當(dāng)前相對(duì)成熟技術(shù),推廣應(yīng)用性廣泛。通過(guò)對(duì)主要熱氧化設(shè)備生產(chǎn)商的性能分析,對(duì)設(shè)備選擇的影響因素進(jìn)行了歸納和總結(jié)。

風(fēng)排瓦斯 熱氧化 催化氧化 利用方案

Abstract:Based on the features of ventilation air methane(VAM),comparison and analysisof three VAM utilization technology has been done,including thermal oxidization,catalyst oxidization and hybrid coal gas combustion.It is proved that thermal oxidization technology is relatively matured and can be wildly applied and promoted.The paper summarizes the influencing factors during equipment selection according to the performance analysis of some major thermal oxidization equipments.

Keywords:VAM;thermal oxidation;catalytic oxidation;utilization plan

目前在我國(guó)煤礦排放的甲烷中,甲烷排出量的80%是通過(guò)風(fēng)排瓦斯排出的。我國(guó)通風(fēng)瓦斯排放量由2000年83億m3增加到2008年161m3,是西氣東輸(一期)的120億m3天然氣量輸送量的1.3倍,相當(dāng)于每年有2200萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤被白白浪費(fèi)掉。由于甲烷的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍,每年通過(guò)風(fēng)排瓦斯向大氣中排入161億m3的純甲烷,相當(dāng)于排放約1.8億t二氧化碳。風(fēng)排瓦斯的濃度雖小,但總量卻特別巨大,如果能采取合適的開(kāi)發(fā)利用方案,對(duì)風(fēng)排瓦斯加以利用,將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

1 風(fēng)排瓦斯利用技術(shù)

國(guó)內(nèi)外風(fēng)排瓦斯利用方式可以分為兩大類:一類是作為主燃料利用方式,采用逆流式熱氧化和逆流式催化氧化技術(shù)兩種,另一類是作為輔助燃料利用方式,采用混合燃燒技術(shù)。

1.1 逆流式熱氧化技術(shù)

逆流熱氧化技術(shù)利用氣體與固體熱交換原理,先將氧化裝置氧化床用外部能源(如電源)進(jìn)行加熱,熱量被氧化床中的蓄熱陶瓷吸收,陶瓷溫度逐漸升溫,并形成一個(gè)拋物線形的溫度梯度場(chǎng),當(dāng)達(dá)到甲烷自燃溫度后停止電源加熱。通過(guò)引風(fēng)機(jī)將風(fēng)排瓦斯引入氧化裝置,蓄熱陶瓷放熱逐步預(yù)熱風(fēng)排瓦斯,當(dāng)達(dá)到其一定溫度后甲烷與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)釋放熱量。利用雙向流反應(yīng)器技術(shù)將產(chǎn)生的熱量一部分熱量被蓄熱陶瓷吸收,維持氧化床內(nèi)部溫度,使下一循環(huán)進(jìn)入的甲烷繼續(xù)發(fā)生氧化反應(yīng),維持氧化裝置自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行,多余部分通過(guò)內(nèi)置換熱器取出,用于制冷、制熱或發(fā)電。風(fēng)排瓦斯熱氧化技術(shù)趨于成熟,運(yùn)行比較可靠,但初期耗能大,設(shè)備要求連續(xù)運(yùn)行,抵抗突發(fā)事故能力差。

采用熱氧化方式利用風(fēng)排瓦斯的技術(shù)主要有中國(guó)勝利動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)公司的熱氧化技術(shù)、美國(guó)MEGTEC公司的VOCSIDIZER技術(shù)、英國(guó)HARWORTH公司的熱氧化技術(shù)。目前熱氧化技術(shù)日趨成熟,在全球開(kāi)展了多個(gè)示范項(xiàng)目,正進(jìn)入商業(yè)化開(kāi)發(fā)階段。

1.2 催化氧化技術(shù)

催化氧化技術(shù)的基本原理是在催化劑的作用下,將甲烷的自燃溫度降低到幾百攝氏度以下(低于350℃),使風(fēng)排瓦斯中的甲烷在較低的溫度條件下發(fā)生氧化反應(yīng),產(chǎn)生熱量。熱量一部分維持氧化反應(yīng),多于部分通過(guò)熱交換,用于制冷、制熱或發(fā)電。催化氧化方式具有初期投資少,啟動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn),但催化劑維持時(shí)間短,需要定期更換,后期維護(hù)費(fèi)用較高。

采用催化氧化方式利用風(fēng)排瓦斯的技術(shù)主要有澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究院(CSIRO)的CAT技術(shù)、加拿大礦物與能源技術(shù)中心的CH4Min技術(shù)。目前催化氧化方式已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),但由于催化劑價(jià)格和開(kāi)機(jī)率等原因還未開(kāi)展示范項(xiàng)目。

1.3 混合燃燒技術(shù)

混合燃燒技術(shù)是在利用其他燃料提供的熱量,在高溫條件下,將風(fēng)排瓦斯中的甲烷氧化,產(chǎn)生熱量,達(dá)到節(jié)省主燃料的目的。燃料使用可采取不同的組合方式、混合方式、流量速度和濃度?；旌先紵绞骄哂醒趸矢?設(shè)備投資小等優(yōu)點(diǎn),但只能在熱源地點(diǎn)與風(fēng)井距離合適時(shí)才可以應(yīng)用,靈活性差。

采用混合燃燒方式利用風(fēng)排瓦斯的技術(shù)熱源可以來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)和風(fēng)井附近火電廠鍋爐、制磚窯爐的供風(fēng)系統(tǒng)?；旌先紵夹g(shù)比較簡(jiǎn)單易行,在美國(guó)和澳大利亞開(kāi)展了多個(gè)示范項(xiàng)目。

對(duì)比分析三種風(fēng)排瓦斯利用技術(shù)(見(jiàn)表1),熱氧化技術(shù)和混合燃燒技術(shù),是經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢驗(yàn)的、趨于成熟的技術(shù),催化氧化技術(shù)還處于試驗(yàn)階段?；旌先紵夹g(shù)要求風(fēng)井周圍必須有配套熱源,而熱氧化技術(shù)撬裝氧化裝置系統(tǒng)因效率高,安裝簡(jiǎn)單、運(yùn)行管理自動(dòng)化程度高,推廣應(yīng)用性廣泛。

表1 三種技術(shù)對(duì)比表

2 風(fēng)排瓦斯熱氧化設(shè)備的選擇

國(guó)內(nèi)外風(fēng)排瓦斯熱氧化生產(chǎn)商主要有美國(guó)MEGTEC公司、中國(guó)勝利動(dòng)力機(jī)械集團(tuán)公司、英國(guó)HARWORTH公司,在開(kāi)展風(fēng)排瓦斯利用項(xiàng)目時(shí),設(shè)備選擇主要考慮以下因素,優(yōu)選合理的開(kāi)發(fā)利用方案。

2.1 技術(shù)成熟度

風(fēng)排瓦斯熱氧化技術(shù)在設(shè)備啟動(dòng)時(shí),需要外部熱源提供初始反應(yīng)熱,因此要求設(shè)備穩(wěn)定性高,技術(shù)成熟,能夠連續(xù)運(yùn)行。

目前,MEGTEC公司的VOCSIDIZER技術(shù)已在全球有5個(gè)工業(yè)化運(yùn)行的煤礦風(fēng)排瓦斯利用項(xiàng)目,其中在中國(guó)第一個(gè)風(fēng)排瓦斯利用項(xiàng)目于2008年10月在河南省鄭州煤業(yè)集團(tuán)成功運(yùn)行。山東勝動(dòng)集團(tuán)的風(fēng)排瓦斯利用裝置于2007年5月在阜新礦業(yè)集團(tuán)王營(yíng)礦北風(fēng)井正式運(yùn)行;2008年,陜西煤化集團(tuán)與勝動(dòng)集團(tuán)簽署協(xié)議,購(gòu)買勝動(dòng)集團(tuán)生產(chǎn)的10臺(tái)風(fēng)排瓦斯氧化裝置,目前該項(xiàng)目已開(kāi)始試運(yùn)行。HARWORTH公司的氧化裝置與1994年在英國(guó)煤業(yè)集團(tuán)下屬的一個(gè)煤礦進(jìn)行了論證性的運(yùn)行,至今未見(jiàn)其商業(yè)化運(yùn)行案例。

2.2 甲烷氧化率

甲烷氧化率是瓦斯利用效果優(yōu)劣的直接指標(biāo),也是其項(xiàng)目效益的直接指標(biāo)。MEGTEC公司VOCSIDZER技術(shù)風(fēng)排瓦斯甲烷氧化率最高,為97.5%;HARWORTH公司風(fēng)排瓦斯氧化技術(shù)的甲烷氧化率為97%;勝動(dòng)集團(tuán)風(fēng)排瓦斯氧化技術(shù)甲烷氧化率較低為95%,國(guó)內(nèi)設(shè)備商的氧化效率有待提高。

2.3 氧化熱利用方案

風(fēng)排瓦斯利用方案主要有銷毀、供熱和發(fā)電三種方式。MEGTEC公司和勝動(dòng)集團(tuán)風(fēng)排瓦斯設(shè)備均可用于乏風(fēng)銷毀、供熱和發(fā)電,而HARWORTH公司的技術(shù)只用于風(fēng)排瓦斯氧化銷毀。

2.4 風(fēng)排瓦斯甲烷濃度要求

氧化設(shè)備正常運(yùn)行對(duì)瓦斯?jié)舛扔幸?瓦斯?jié)舛冗_(dá)到一定值時(shí),設(shè)備才能正常運(yùn)轉(zhuǎn),達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。對(duì)于MEGTEC公司的VOCSIDIZER技術(shù),若風(fēng)排瓦斯只氧化銷毀不回收熱量時(shí),氧化裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需最小甲烷濃度為0.2%;若風(fēng)排瓦斯氧化后回收熱量用于供熱或發(fā)電,氧化裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要甲烷濃度平均值為0.4%以上。

對(duì)于勝動(dòng)集團(tuán)的技術(shù),若風(fēng)排瓦斯只氧化銷毀不回收熱量時(shí),氧化裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需最小甲烷濃度為0.3%;若風(fēng)排瓦斯氧化后回收熱量用于供熱或發(fā)電,氧化裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要甲烷濃度平均值為0.5%以上。

對(duì)于HARWORTH的技術(shù),若風(fēng)排瓦斯只氧化銷毀不回收熱量時(shí),氧化裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需最小甲烷濃度為0.2%。

3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)風(fēng)排瓦斯利用技術(shù)對(duì)比分析和風(fēng)排瓦斯設(shè)備生產(chǎn)商的研究,對(duì)風(fēng)排瓦斯設(shè)備選擇總結(jié)如下:

(1)熱氧化技術(shù)和混合燃燒技術(shù),是經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)的、趨于成熟的技術(shù),催化氧化技術(shù)還處于試驗(yàn)階段。

(2)熱氧化技術(shù)氧化裝置系統(tǒng)因效率高,安裝簡(jiǎn)單、運(yùn)行管理自動(dòng)化程度高,推廣應(yīng)用性廣泛。

(3)國(guó)內(nèi)外不同設(shè)備生產(chǎn)商生產(chǎn)熱氧化設(shè)備在技術(shù)、甲烷氧化率、氧化熱利用方案和對(duì)甲烷濃度要求不同,在設(shè)計(jì)設(shè)備選擇時(shí),應(yīng)針對(duì)不同的資源供應(yīng)情況和企業(yè)利用方案綜合考慮,優(yōu)選合理的開(kāi)發(fā)利用方案。

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Comparison of VAM Utilization Technology and Equipments Selection

Sang Fengyun,Zhao Guoquan
(China Coal Information Institute,Beijing 100029)

桑逢云,男,工程師,畢業(yè)于山東科技大學(xué),現(xiàn)從事煤層氣開(kāi)發(fā)利用研究工作。

(責(zé)任編輯 劉 馨)